半導体量子ドット微小光共振器におけるコヒーレント高密度励起状態の研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15340100
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 栗巣 普揮 山口大学, 工学部, 助手 (00253170)
• 研究分担者: 松浦 満 山口大学, 工学部, 教授 (60091211)
• キーワード: 微小光共振器 / 半導体量子ドット / 共振器ポラリトン

研究概要

本研究では、物質の電子系と光との強結合系において、コヒーレントな相互作用を増強させることで、超放射のような新たな物理現象を発現させることを目指している。このために、光活性物質として大きな振動子強度を持つ半導体量子ドット(CuCl量子ドット)と、電子系と光とを強く結合させるために微小光共振器構造に着目した。今年度は半導体量子ドットを(λ/4)周期の誘電体多層膜鏡で挟んだ構造からなる分布ブラッグ型微小光共振器を作製し、その基礎光学特性を調べた。
共振器により閉じ込められた光と物質の励起状態である励起子の強結合状態である共振器ポラリトンが明瞭に観測された。共鳴領域における下枝共振器ポラリトンと上枝共振器ポラリトンの分裂エネルギー幅は、約70meVが得られた。この値は典型的なGaAs量子井戸を光活性層とした微小光共振器のモード分裂幅5〜9meVと比較すると約10倍である。また、各モードがs,p偏光で異なる分散関係を持つこともわかった。観測された共振器ポラリトンの分散関係をトランスファー・マトリックス法により解析した結果、光活性層のCuCl量子ドットの振動子強度としてf=4.2x10^<14>(cm^<-2>)が得られた。この値は、GaAs量子井戸の振動子強度の約100倍、バルクCuClのそれの約20倍大きい。すなわち、CuCl量子ドットの大振動子強度を反映して、大きなモード分裂幅を持つ共振器ポラリトンを発現できた。
一方、超放射の発現のためには、極めて純粋な半導体量子ドットを作製する必要がある。これを実現さる準備として、超高真空に容易に到達できるチタン合金製の分子線エピタキシー装置を設計・製作した。

研究成果

• [文献書誌] H.Kurisu, K.Nagoya, N.Yamada, S.Yamamoto, M.Matsuura: "Characterization of CuCl nanocrystals in SiO_2 matrix fabricated by inductively couples plasma-assisted sputtering deposition"Journal of Vacuum Science & Technology B. 21. 2169-2173 (2003)
• [文献書誌] H.Kurisu, T.Muranaka, N.Wada, S.Yamamoto, M.Matsuura: "Titanium alloy material with very low outgassing"Journal of Vacuum Science & Technology A. 21. L10-L12 (2003)
• [文献書誌] 楠本健一, 栗巣普揮, 永冨陽一, 山本節夫, 松浦 満: "スパッタ法で作製したZnO薄膜の光学特性"第14回光物性研究会 論文集. 35-38 (2003)
• [文献書誌] 嶋田真一郎, 栗巣普揮, 二井手 亮, 大城和宜, 山本節夫, 松浦 満: "CuCl量子ドット微小光共振器における共振器ポラリトンの光学特性"第14回光物性研究会 論文集. 239-242 (2003)